Rasches und einfaches Verfahren zur Atemluftanalytik

Wenn wir Alkohol getrunken haben, flattert uns eine "Fahne" voraus, der Genuss von größeren Mengen Knoblauch oder Zwiebeln fällt häufig noch am Morgen danach unseren Mitmenschen auf. Unser Atem verrät aber nicht nur, was wir zu uns genommen haben, auch manche Erkrankungen machen sich durch spezielle Mundgerüche bemerkbar. Die Analytik von Atemluft birgt interessante Perspektiven für die klinische Diagnostik, ein Piekser wie für Blutabnahmen ist nicht nötig. Bisher gestaltete sie sich jedoch sehr schwierig. So ist der apparative Aufwand meist beträchtlich, die Proben müssen vor der eigentlichen Analytik aufwändig präpariert werden, und bis heute ließen sich nur kleine flüchtige Verbindungen zuverlässig nachweisen. Schweizer Forscher haben nun eine massenspektrometrische Methode entwickelt, mit der sich rasch und einfach ein regelrechter Fingerabdruck der Atemluft bestimmen lässt. Dabei gelingt auch der quantitative Nachweis großer, nichtflüchtiger Moleküle.

Die Methode von Renato Zenobi und seinem Team von der ETH Zürich basiert auf der Quadrupol-Flugzeit-Massenspektrometrie, kurz QTOF. Dabei werden Moleküle elektrisch aufgeladen und anhand ihres Molekulargewichts getrennt und identifiziert. Bei der QTOF werden die Moleküle in einem elektrischen Feld beschleunigt, und im Flugzeit-Teil nach Verhältnis von Masse zu Ladung separiert. Die Flugzeit der Fragmente bis zum Detektor ist von deren Masse abhängig. Im Quadrupol-Teil können die Moleküle zuvor fragmentiert werden. Man erhält dann ein Spektrum von Fragmenten, das für das ursprüngliche Molekül charakteristisch ist und dessen Identifikation erlaubt.

Der entscheidende neue Kniff ist aber die Art der Probenaufgabe in das Massenspektrometer. Üblicherweise wird eine Probe zunächst extrahiert und diese Flüssigkeit dann mit Hilfe eines elektrischen Feldes zerstäubt. Stattdessen führen die Forscher eine direkte Tröpfchen-Tröpfchen-Extraktion durch: Die Atemluft-Probe wird direkt in die Elektrospray-Anordnung geleitet und kreuzt hier einen Strom geladener Reagenzien-Tröpfchen, die die interessierenden Moleküle aufnehmen und aufladen. Auf ihrer Reise ins Massenspektrometer verlieren die Tröpfchen Lösungsmittel und werden immer weiter zerteilt, bis zuletzt die geladenen Moleküle übrig bleiben, die in den QTOF-Massenanalysator gelangen. Auf diese Weise kann die Massenanalyse kontinuierlich über längere Zeit laufen und es können damit größere Probenmengen untersucht werden. Die Proben müssen nicht vorbehandelt werden, Verluste werden so reduziert. Vor allem aber werden, im Gegensatz zu gängigen Verfahren, auch die tröpfchenförmigen Bestandteile der Atemluft erfasst, die die größeren, nicht flüchtigen Substanzen enthalten. So lassen sich auch Spuren dieser Verbindungen in komplexen Matrices nachweisen und quantifizieren.

Anhand des Harnstoffgehalts des Atems nach verschiedenen Mahlzeiten beispielsweise lassen sich Rückschlüsse auf die dadurch in Gang gesetzten Stoffwechselprozesse ziehen. Ebenso konnten Rückschlüsse auf den Metabolismus von Nicotin bei Rauchern gezogen werden.

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Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh)